设计模式的简单理解——单例模式
简单理解
单例模式是指进程生命期内,某个类型只实例化一个对象。这是一种通过语言特性实现的编程约束。如果没有约束,那么多人协同编码时,就会出现非预期的情况。
下面以内存池做例子,假设其类型名为memorypool
。内存池的本意是统一管理全局内存,优化内存分配,提升性能,记录内存分配信息方便追溯问题,需要全局只有一个实例对象。
第一阶段:没有任何约束
因为没有任何约束,大家会各自实例化memorypool
对象来使用。最终一片混乱,根本达不到最初使用内存池的目的。
第二阶段:编程语言外的约束
在memorypool
处添加注释,告诉大家只能使用一个memorypool
的全局变量。刚开始还挺好,但总会有一些人不知道为什么就自己实例化memorypool
对象来使用。因为破窗效应,最终越来越乱,出现第一阶段的情况。
第三阶段:编程语言的约束
将memorypool
的构造函数、拷贝构造函数、赋值构造函数都设为私有,只允许使用者通过一个接口来获取memorypool
对象。当有人想自己实例化memorypool
对象来使用时,编译就会报错。接口内只返回固定的一个已实例化的对象,完美!
实现
单例一般有两种方式
- 程序初始化阶段时构造单例对象:进入main()之前构造,没有多线程问题,但不论是否使用都占用了资源
- 使用时才构造单例对象:使用时才占用资源,但需要注意多线程竞争问题
以下是c++实现的单例代码
singletion.h
#ifndef __singleton_h__ #define __singleton_h__ #include <mutex> /** * @brief 单例模板 * @detail 使用单例模式的类型需要将该模板设为友元类 */ template<typename t> class singleton { public: static t* instance() { std::call_once( m_once, [](){ m_instance = new t; } ); return m_instance; } static void destroy() { if( null != m_instance ){ delete m_instance; m_instance = null; } return; } private: static t* m_instance; static std::once_flag m_once; }; template<typename t> t* singleton<t>::m_instance = null; template<typename t> std::once_flag singleton<t>::m_once; #endif
std::call_once()在linux平台调用的是pthread_once()。flag有三个状态never(0)、in_progress(1)、done(2),其中使用了两个带lock前缀的指令:cmpxchg和incl。lock cmpxchg 将flag从0变为1,lock incl将flag从1变为2。lock锁定特定内存地址,避免其他cpu读取或者修改这个内存地址的值。
adder.h
#ifndef __adder_h__ #define __adder_h__ #include "singleton.h" #include <atomic> /** * @brief 累加器 * @detail 使用单例模式,全局累加器 */ class adder { friend class singleton<adder>; public: adder& operator<<(int32_t n) { m_num += n; return *this; } int32_t value() { return m_num; } private: adder() { } adder(adder&); adder& operator=(adder&); private: std::atomic<int32_t> m_num; }; #endif
main.cpp
#include "adder.h" #include <thread> #include <vector> #include <iostream> void worker() { int i = 1000000; while( i-- ){ *(singleton<adder>::instance()) << 1; } return; } int main() { std::vector<std::thread> threads; for( int i = 0; i < 10; ++i ){ std::thread t( worker ); threads.push_back( std::move( t ) ); } for( int i = 0; i < 10; ++i ){ threads[i].join(); } // 输出等于1000万 std::cout << singleton<adder>::instance()->value() << std::endl; return 0; }
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